陳良，許煜

　?。ㄉ虾毿跑浖煞萦邢薰?，上海 201900）

　　摘要：介紹了一種新型分布式智能燒嘴控制器。針對數(shù)據(jù)傳輸和工況環(huán)境的不同 要求，MCU主控制器可以不斷升級，以適應(yīng)事務(wù)控制的擴充和處理速度的提高。對火焰大小的檢測提出了使用離子定向移動來判斷，并且創(chuàng)新地提出了用μA電流的大小來數(shù)字化火焰的大小，通過三角形斬波技術(shù)實現(xiàn)正?；鹧娣秶慕缍?。采用阻容移相技術(shù)和光耦的規(guī)律性開啟簡單有效地實現(xiàn)了對點火信號的特殊占空比要求。引入ProfibusDP技術(shù)實現(xiàn)了智能燒嘴控制器的從站化，使得遠(yuǎn)端控制室能夠方便地掌握當(dāng)前燒嘴的工作狀況。在軟件程序設(shè)計上注重冗余設(shè)計和故障緊急處理機制。這種新型的分布式燒嘴控制器具有廣闊的使用前景。

　　關(guān)鍵詞：燒嘴控制器；火焰；阻容移相；Profibus-DP

　　中圖分類號：TP202文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.09.012

　　引用格式：陳良，許煜.一種新型分布式智能燒嘴控制器設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（9）：38-40，44.

0引言

　　以天然氣等可燃性氣體為燃料的工業(yè)爐窯在熱處理領(lǐng)域運用越來越廣，但是天然氣本身易燃易爆，使用的安全可靠性特別重要［1］，因此針對工業(yè)爐窯的現(xiàn)場環(huán)境和加熱對象，研發(fā)智能燒嘴控制器具有十分重要的作用。工業(yè)爐窯熱處理的工藝過程復(fù)雜，流程長，所以多個燒嘴控制器分布式測量能有效提高溫度控制精度、降低故障率，保證工業(yè)爐窯的工況連續(xù)穩(wěn)定，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的［2］。

1系統(tǒng)方案設(shè)計

　　智能燒嘴控制器的設(shè)計注重功能的模塊化，以主控模塊為核心，配合兩級電源切換模塊、火焰檢測模塊、點火模塊、狀態(tài)指示模塊和DP通信模塊，如圖1所示。這樣的設(shè)計使其既可以作為一個完整的個體控制單個燒嘴，也可以與PLC或者DCS控制系統(tǒng)結(jié)合起來實現(xiàn)對整個工藝流程的控制。采用可編程模式MCU作為主控制器，控制邏輯通過軟件固化在Flash中，可以通過預(yù)留的JTAG口來調(diào)整燒嘴控制器的運行參數(shù)。采用兩級電源電池切換模式，在主電源失效的模式下，還有電池方案可以保證燒嘴控制器的正常運行。此外，燒嘴控制器做ProfibusDP智能從站化設(shè)計，利用工業(yè)現(xiàn)場的PLC組態(tài)優(yōu)勢，可以直接通過ProfibusDP通信接口控制燒嘴控制器的運行和收集現(xiàn)場溫濕度等環(huán)境參數(shù)，并記錄在存儲模塊中方便維修時有據(jù)可查。控制信號部分與執(zhí)行器部分分兩塊PCB板設(shè)計，以減少電磁干擾。將完成設(shè)計的控制信號部分用一個鐵盒密封后再與執(zhí)行器板連接，防塵防電磁干擾?；鹧鏅z測模塊主要利用燒嘴燃燒時燃燒介質(zhì)發(fā)生電離，離子的定向移動產(chǎn)生μA級電流，對這種電流進(jìn)行定量檢測。點火模塊采用阻容移相技術(shù)和光耦的規(guī)律性開啟，簡單有效地實現(xiàn)了點火信號的特殊占空比要求。狀態(tài)指示模塊采用八段數(shù)碼管顯示數(shù)字，根據(jù)數(shù)據(jù)字典對應(yīng)點火過程中各個階段的狀態(tài)。

2硬件電路設(shè)計

　　燒嘴控制器的動作主要通過PLC和主控模塊之間的信號傳遞，然后配合外圍的點火變壓器、燒嘴點火電極和檢測電極來完成火焰的燃燒控制。下面，著重介紹燒嘴控制器的主要硬件結(jié)構(gòu)。

　　2.1火焰檢測電路

　　燒嘴燃燒介質(zhì)電離時，離子的定向移動產(chǎn)生μA級電流，對這種電流進(jìn)行定量檢測就能準(zhǔn)確地判斷火焰的燃燒狀態(tài)。這樣的檢測方式不受光、熱、磁的干擾，反應(yīng)靈敏，動作迅速。圖2所示為火焰μA電流檢測電路的原理圖。

　　μA電流檢測原理:由IO口（uCB-A7）發(fā)出頻率1 kHz的方波，通過RC電路在比較器的正極（U4B芯片的第5腳）輸出穩(wěn)定的三角波，比較器的負(fù)極則是采樣電阻R58的電壓值，則比較器的輸出高電平時間即是三角波波峰切割U46電壓值的時間寬度。當(dāng)μA電流值較小時,μA電流主要從1號箭頭方向流過。如圖3(a)所示，當(dāng)μA電流為5 μA時，U4-6的電壓大約為2.23 V；當(dāng)μA電流增大時，則2號箭頭也會有電流流過，甚至成為主要流動方向，此時電壓對電流的變化比之前緩慢得多;如圖3(b)所示，當(dāng)μA電流為38 μA時，U4-6的電壓大約為0.7 V。當(dāng)電流超過40 μA 或者電流方向反向，則報錯。這樣的設(shè)計好處在于，能夠有效區(qū)分μA電流不存在和外接電源斷路的情況,并且門檻電流的大小由主控制器設(shè)定，方便根據(jù)工況在線下載更新。

　　2.2點火電路

　　燒嘴點火時需要7 500 V的高壓，通常是由燒嘴控制器來控制點火高壓包的控制端。當(dāng)給予點火高壓包占空比15%的交流電壓時，其輸出端會產(chǎn)生7 500 V的高壓瞬間劈開燒嘴電極與地之間的空氣，點燃燒嘴。圖4是本文設(shè)計的這種特殊點火電路的簡化仿真圖。

　　R50、C20構(gòu)成阻容移相電路，R52上端電壓抬升至Vgt（1.3 V）時，且維持電流大于50 mA，則雙向晶閘管導(dǎo)通。一旦雙向晶閘管導(dǎo)通，R50、R51、R52、C20被旁路，當(dāng)交流電源電壓降低到一定程度（過零前后，雙向晶閘管自行關(guān)斷），接著C20又被電源反向充電，重復(fù)上述過程。觸發(fā)電路是工作在交流電路中的，交流電壓的正、負(fù)半周分別會發(fā)送正、負(fù)觸發(fā)脈沖送到雙向晶閘管的控制極，使管子在正、負(fù)半周內(nèi)對稱地導(dǎo)通一次。R51、R52是分壓電阻，BCR的門限電壓Vgt是1.3 V，只要在R52上的分壓大于Vgt，則BCR導(dǎo)通。光耦的通斷由主控模塊控制，當(dāng)光耦不通時，點火電路不輸出；當(dāng)光耦導(dǎo)通時，雙向晶閘管延遲一個角度打開，點火電路輸出火線信號。R53、 C21 支路并聯(lián)在電源線上，將高頻干擾電流旁路。如圖5所示，上側(cè)是模擬燃?xì)忾y特性的Rvalve兩端電壓信號，下側(cè)是雙向晶閘管BTB12的控制極電壓信號。

　　2.3DP通信接口電路

　　ProfibusDP是一種高速低成本的通信方式，目前在冶金行業(yè)獲得了廣泛使用，特別適用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式IO通信。智能燒嘴控制器的工況參數(shù)都需要通過DP通信與工廠控制室交互信息［3］。

　　基于ProfibusDP總線的高速接口通信模塊以VPC3+C這款能夠支持多種DP版本協(xié)議的低功耗寬電壓芯片為主體設(shè)計，底層采用485接口方式，PLC端數(shù)據(jù)通過高速磁隔離總線收發(fā)芯片ADM2486和VPC3+C之間形成數(shù)據(jù)的雙向交換，DP協(xié)議芯片的固件程序放置在主控制器LPC2294中，利用LPC2294的三級流水線機制，處理和存儲系統(tǒng)的所有部分都可連續(xù)工作，這樣就破解了普通51接口DP芯片的數(shù)據(jù)緩存瓶頸，真正實現(xiàn)DP的高速性能。LPC2294對VPC3+C的主要控制信號包括讀信號OE、寫信號BLS、片選信號CS、重啟信號DP_RST和中斷信號EINT。因為VPC3+C只有8位數(shù)據(jù)地址，根據(jù)LPC2294外接存儲器規(guī)則，寫信號匹配采用BLS［0］。又因為VPC3+C作為片外存儲器的地址范圍在0x82000000~0x82FFFFFF之間，所以對應(yīng)的片選信號為CS2。利用VPC3+C的XDATAEXCH腳外接被電源上拉的二極管信號燈可作為數(shù)據(jù)交換時的信號指示器。LPC2294主控制器與VPC3+C協(xié)議芯片之間采用數(shù)據(jù)總線和地址總線分離的異步方式，這樣通信速度比同步方式快且異步的程序斷點調(diào)試更為方便［4］。

3軟件程序設(shè)計

　　燒嘴控制器上電后，首先進(jìn)行“大流量吹掃，小流量點火”的操作。因為目前工業(yè)爐窯所用的燃料一般為天燃?xì)?、液化器、工業(yè)煤氣等介質(zhì)，均屬有害、有毒、易燃、易爆氣體，所以準(zhǔn)備階段時將空氣閥開到最高位置，將爐內(nèi)的殘留氣體吹出爐外，避免爆炸，然后再將空氣閥調(diào)低等待點火。燒嘴控制器通過火焰監(jiān)測模塊觀察此時有無火焰信號（以電離棒傳回的電流大于等于2 μA等效為有火焰信號，否則為無火焰信號）。若監(jiān)測到有火焰信號，說明燒嘴控制器誤識別了，程序進(jìn)入火焰模擬階段，給燒嘴控制器點火信號，延時10 s后再觀察有無火焰信號，則若無則可以進(jìn)入正常點火程序，若有火焰信號則直接進(jìn)入燒嘴控制器故障報警死鎖狀態(tài)。若監(jiān)測到無火焰信號，則給燒嘴控制器點火信號，延時1 s，輸出點火變壓器的原邊信號并打開燃?xì)忾y，此時點火變壓器產(chǎn)生7 500多伏的高壓電對燃?xì)恻c火。在打開燃?xì)忾y后的5 s內(nèi)，若檢測到有火焰信號，則點亮黃色LED燈指示燒嘴正常運行并傳回工況參數(shù)；若檢測到無火焰信號，則立即關(guān)閉燃?xì)忾y并點亮紅色LED燈指示燒嘴故障同時燒嘴控制器死鎖，等待復(fù)位。圖6是智能燒嘴控制器主程序流程圖。

　　在燒嘴正常工作時燒嘴控制器對火焰進(jìn)行監(jiān)測，如果火焰熄滅燒嘴控制器立即執(zhí)行故障鎖定報警操作。

4結(jié)論

　　本文設(shè)計了一種新型分布式燒嘴控制器，針對數(shù)據(jù)傳輸和工況環(huán)境的不同 要求，MCU主控制器可以不斷升級，以適應(yīng)事務(wù)控制的擴充和處理速度的提高。對火焰大小的檢測提出了使用離子定向移動來判斷，并且創(chuàng)新地提出了用μA電流的大小來數(shù)字化火焰的大小，通過三角形斬波技術(shù)實現(xiàn)正?；鹧娣秶慕缍?。把點火信號的特殊占空比要求采用阻容移相技術(shù)和光耦的規(guī)律性開啟簡單有效地實現(xiàn)。引入ProfibusDP技術(shù)實現(xiàn)了智能燒嘴控制器的從站化，使得遠(yuǎn)端控制室能夠方便地掌握當(dāng)前燒嘴的工作狀況。在軟件程序設(shè)計上注重冗余設(shè)計和故障緊急處理機制，所以這種新型的分布式燒嘴控制器有廣闊的使用前景。

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